电液振动台可以模拟真实环境下的振动，被广泛应用于建筑抗震模拟、材料 结构试验、汽车测试、海上舷梯等领域。控制电液振动台所需的高性能振动控制 器主要依赖进口。近年来基于 FPGA 的振动控制器开始凸显其优势，更适合用于 多通道、高频率等测试场景。 本文基于 Zynq-7000 芯片的 CPU+FPGA 架构，设计了一套结构清晰、通用 性强、易于扩展的振动台控制程序，实现了数据采集、控制、以太网通信等功能。 进行系统测试，验证了控制器架构的合理性和有效性。进行了正弦波试 验和地震波试验，其中正弦波试验的位移相关系数和加速度相关系数分别达到 99.86%和 94.87%，地震波试验分别达到 99.998%和 65.68%。 1.3 Zynq-7000 芯片介绍 Zynq-7000 是 Xilinx 公司生产的 ARM CPU+FPGA 架构的 SOC 芯片[16]，它 采用 28nm 工艺。它分为 Processing System（简称 PS）和 Programmable Logic（简 称 PL）两部分[17]，PS 部分是双核 ARM Cortex A9 处理器，能运行完整的像 Linux 这样的操作系统，而 PL 部分是基于 Xilinx 7 系列（Artix-7/Kintex-7）的 FPGA 架 构，两者之间通过 AXI 接口，实现了高带宽、低延迟的连接。处理器和逻辑部分 各自都可以发挥最佳的性能，并且单芯片会带来物理尺寸和整体成本的降低[18]。

基于 Zynq 的控制器具有以下优势： （1）架构优势。得益于 Zynq 的 ARM+FPGA 架构，可以将控制器的核心功 能分为软硬件两部分去开发，软硬件协同完成对振动台的控制。对实时性和计算 性能要求较高的采样、计算、控制等部分交给硬件逻辑（PL）完成，而对实时性 要求不高的通信等部分交给软件（PS）完成。 （2）并行优势。FPGA 部分固有的并行特性，使得基于 Zynq 的控制器适合 多通道协同控制，可以实现更加实时和精准的控制。 （3）频率优势。Zynq 芯片 PL 侧时钟频率最高可达 250MHz，普通 PID 算 法的控制频率（若按照流水线设计，2 个时钟周期完成一次控制来计算）预计最 高可达 125MHz。 MIO 是 I/O 外设连接的基础。在 Zynq-7000 SoC 内 MIO 引脚个数是有限的， 总共 54 个。通过配置，可以将 I/O 信号连接到 MIO 引脚。此外，通过 EMIO 接 口，也可以将 PS 内的 I/O 外设连接到 PL 中。如图 1.5 所示，允许 PS 内的 I/O 外设控制器与 PL 内的用户定制逻辑连接，有利于 PS 访问更多的器件引脚以及 与 PL 端的逻辑资源进行交互。 2 振动台控制系统总体设计 振动台控制系统是一个集机械、液压、电子、控制、计算机软硬件于一体的 复杂的机电一体化系统。振动台控制系统的设计目标是使振动台台面按照期望的 波形来运动。 首先，为了有足够的运动范围和足够的运动速度、加速度，需要一套满足运 动需求的机械系统以及提供动力源的液压系统，整个机械、液压系统的响应时间 也要足够快。其次，为了方便人机交互，主要是实时显示波形、实时修改控制参 数等，需要相应的上位机软件，以及下位控制器中与之配套的程序。最后，为了 完成精确的运动控制，需要高精度的以数据采集、控制、输出为核心的硬件电路， 和与之配套的以数据采集、数据处理、控制算法、输出驱动为核心的控制程序。 机械系统和液压系统主要由合作公司研制，不作为研究重点，本章将分别介 绍上位机软件和硬件电路板，以及 Zynq 控制器程序设计的目标，后面的章节重 点介绍控制器程序的设计。 2.1 上位机软件功能简介 振动台控制系统的上位机软件主界面如图 2.1 所示。该上位机软件可以实现 以下功能：参考波形的产生与下发；实时显示参考波形与实际波形，包括位移、 速度、加速度；控制参数的设置与下发；实验数据的导出；一些基础的数据分析。 等[21]。其中的以太网通信功能是需要与 Zynq 控制器配合完成的，两者之间会进 行大量交互，是一个双向通信的过程。 2.2 硬件电路板功能简介 振动台 Zynq 控制器参考信迈的ZYNQ板卡，硬件电路主要分为几大模块：Zynq 核心模块、电源管理 模块、输入模块、输出模块、存储模块、通信模块[22]。其中通信模块负责与上位 机软件进行以太网通信；输入模块负责采集实际的运动数据，包括位移传感器的 SSI 数字信号、加速度传感器的模拟电压信号、力传感器的模拟电压信号等；输 出模块主要负责输出控制电压，再通过一个电压转电流模块，以驱动液压伺服阀， 使作动器动作。

2.3 Zynq 控制器程序设计的目标 结合整个振动台控制系统的需求，以及上位机软件和硬件电路的已有条件， 总结出 Zynq 控制器程序设计的目标功能： ① 数据的采集与处理功能，主要包括 SSI 数字信号的采集与处理、ADC 数 据的采集与处理； ② 输出驱动，主要指驱动 DAC； ③ 能够形成基本的反馈控制回路，支持参数的可配置； ④ 与上位机软件的以太网通信功能，主要包括接收参考波形、参考波形与 实际波形的上传、接收参数修改命令并修改参数。 信迈提供ZYNQ控制器定制化解决方案。